Ultradźwiękowe odtłuszczanie

Metoda ultradźwiękowego mycia opiera się na zasadzie wprowadzenia do roztworów drgań ultradźwiękowych, w praktyce przemysłowej o częstotliwości od 20 kHz do 50 kHz. Pozwala to nie tylko na znaczne przyspieszenie procesu, ale także uzyskanie wysokiego stopnia oczyszczenia powierzchni mytych elementów, wyeliminowanie pracy ręcznej oraz łatwopalnych i trujących roztworów.

Technologia mycia ultradźwiękowego znajduje powszechne zastosowanie w przygotowaniu powierzchni w procesach międzyoperacyjnych, końcowych cyklu produkcyjnego, a także w serwisie i konserwacji sprzętu i narzędzi.

Proces czyszczenia ultradźwiękowego uwarunkowany jest szeregiem czynników, do których należą:

  • natężenie i częstotliwość pola ultradźwiękowego w roztworze myjącym
  • rodzaj roztworu myjącego
  • rodzaj zabrudzeń i wymagany stopień oczyszczenia
  • rodzaj materiału czyszczonych elementów

Intensywność tego procesu zależy od wielu parametrów, a głównie w kolejności j.n.:

  • mechaniczno-erozyjne oddziaływanie zjawiska kawitacji na oczyszczane powierzchnie
  • fizyczno-chemiczne oddziaływanie roztworu na zabrudzania
  • stopień rozpuszczalności i dyspersji zabrudzeń v; roztworze
  • stopień dyfuzji i zwilżenia powierzchni określający możliwości wnikania roztworu w pory, zagłębienia i małe otwory

Istotą mycia ultradźwiękowego jest powstanie kawitacji w roztworze, dzięki której pokonywane są mechaniczne siły przytrzymujące zabrudzenia przy powierzchni oraz przyspieszony jest proces ich rozpuszczenia.

Efektywność kawitacji w znacznym stopniu zależy od własności fizycznych użytego roztworu myjącego. I tak:

  • wysokie napięcie powierzchniowe cieczy podnosi natężenie kawitacji, jednak wymagane jest wówczas osiągnięcie wyższe progu kawitacji.
  • niskie napięcie powierzchniowe cieczy zwiększa zwilżalność mytych powierzchni. Roztwory o takich właściwościach nadają się do mycia elementów o skomplikowanych kształtach.
  • mała gęstość cieczy obniża natężenie kawitacji.
  • duża gęstość cieczy zwiększa oporność akustyczną.
  • zagazowanie cieczy obniża natężenie kawitacji.
  • niskie ciśnienie par nasyconych cieczy zwiększa natężenie kawitacji.
  • temperatura cieczy wpływa istotnie na wartość natężenia kawitacji.

Dla roztworów wodnych optymalny poziom wynosi około 55°C, dla rozpuszczalników alkoholowych wynosi 10 – 20°C, a rozpuszczalników na bazie nafty wynosi 20 – 30°C.

Roztwory stosowane do mycia ultradźwiękowego można pogrupować j.n.:

  • Rozpuszczalniki organiczne.
  • Roztwory wodne

Rozpuszczalniki organiczne charakteryzują się dobrymi właściwościami rozpuszczania różnych zanieczyszczeń. Jednak przed zastosowaniem należy zwrócić uwagę na poziom tłumienia ultradźwięków, toksyczność, możliwość regeneracji oraz narażenie korozyjne mytych elementów, urządzenia do mycia ultradźwiękowego na rozpuszczalniki organiczne są znacznie droższe od urządzeń na roztwory wodne. Stosowanie roztworów wodnych pozwala na uzyskanie najwyższego natężenia kawitacji w porównaniu z innymi kąpielami myjącymi. Przy odpowiednim doborze rodzaju roztworu pod kątem występujących zanieczyszczeń i materiału elementów, jego stężenia, otrzymuje się wysoką, pożądaną efektywność oczyszczenia powierzchni.

Roztwory wodne można podzielić na:

  1. zasadowe detergenty, mieszaniny czyszczące na bazie wodorotlenku sodu, fosforanu sodu, szkła wodnego i innych
  2. kwaśne wodne roztwory kwasu winowego, cytryno w ego i innych organicznych i nieorganicznych kwasów
  3. neutralne mieszaniny i emulsje / rozpuszczalnik organiczny + emulgator + stabilizator + woda

Własności i efektywność oczyszczenia odczynników zasadowych można określić według liczby pH w roztworze:

1.1. Roztwory zasadowe o pH 10,5 do 11,2 są najmniej agresywne. Używane są do oczyszczenia aluminium i jego stopów, mosiądzów i stopów cynku odlewanych ciśnieniowo. Z uwagi na wartość pH możliwe jest występowanie korozji po obróbce.

1.2. Roztwory zasadowe o pH 11,2 do 12,4 znajdują zastosowania przy myciu aluminium i jego stopów, stopów cynku, stali z zanieczyszczeń z lekkich olei ropopochodnych, past polerskich.

1.3. Roztwory zasadowe o pH 12,4 do 13,8 zawierają związki sodu i szło wodne. Można usunąć przy ich pomocy zanieczyszczenie z mineralnych i roślinnych olei, a nawet stare farby i naloty. Najaktywniejszym roztworem zasadowym o pH 13,3 można oczyścić powierzchnię z rdzy, tlenków i kamienia kotłowego. Do wszystkich rodzajów roztworów zasadowych dodawany jest fosforan sodu, który służy do zmiękczenia wody. Stosowane stężenia roztworów zawierają się w granicach 0,2-2,0%.

2.1. Roztwory kwaśne w myciu ultradźwiękowym używane są do usuwania rdzy, trawienia, odbijania przypieczonych warstw powstałych podczas kucia i ciągnienia. Z uwagi na wpływ energii ultradźwiękowej na podwyższenie agresywności słabego kwaśnego roztworu należy zabezpieczyć odpowiednio wannę przed uszkodzeniem. Rodzaj stosowanych kwasów i ich stężenie w roztworze zależy od gatunku materiału oczyszczanych elementów. Temperatura pracy roztworów kwaśnych wynosi 20°C, a stężenie od 5 do 25% dla materiałów mało odpornych i 20 do 50% dla materiałów bardziej odpornych.

3.1. Roztwory neutralne charakteryzują się spolaryzowaną budową molekularną. Uzyskuje się dzięki nim obniżenie napięcia powierzchniowego wody, emulgowanie olejów i dyspergowanie zanieczyszczeń stałych. Stosowane są przede wszystkim przy oczyszczaniu narzędzi i sprzętu medycznego, zespołów i podzespołów elektronicznych.

Technologia oczyszczania ultradźwiękowego składa się z operacji j.n.

  • wstępnego mycia bez udziału ultradźwięków, stosowane w przypadku silnego zabrudzenia
  • mycia ultradźwiękowego
  • płukania w czystej wodzie lub w wodzie demineralizowanej
  • suszenia

Urządzenia do mycia ultradźwiękowego wytwarzane są w różnych wielkościach w zależności od wymiarów elementów i potrzeb produkcyjnych. Pojemność wanien ultradźwiękowych wynosi od 0,5 dm3 do rzędu kilku metrów sześciennych. Przetworniki ultradźwiękowe umieszcza się na dnie wanny lub na jej ściankach. Obecnie stosuje się wysokosprawne przetworniki piezoelektryczne i generatory tranzystorowe o mocy jednostkowej od 100 do 1200 W.

Odtłuszczanie w rozpuszczalnikach organicznych

Odtłuszczanie w rozpuszczalnikach organicznych polega na usuwaniu z mytych powierzchni zanieczyszczeń tłuszczowych i tłuszczo-podobnych (oleje, smary, itp.) na drodze fizycznego rozpuszczania.

Rozpuszczalniki organiczne stosowane są do mycia “ciężkiego”, z bardzo dużych i trudnych do usunięcia zabrudzeń, w procesach, które mają charakter mycia wstępnego oraz do mycia “precyzyjnego”, przy bardzo wysokich wymaganiach co do czystości mytych powierzchni.

Zalety odtłuszczania w rozpuszczalnikach organicznych są następujące:

  • rozpuszczają trudne do usunięcia w kąpielach wodnych zanieczyszczenia takie jak smary, oleje mineralne, woski, itp.,
  • stwarzają możliwość prowadzenia procesu odtłuszczania bez wytwarzania ścieków,
  • jako środki myjące wykazują dużą żywotność, nie wymagają tak częstej wymiany jak kąpiele wodne.

Dobry rozpuszczalnik powinien wykazywać następujące właściwości:

  • duża zdolność rozpuszczania różnego rodzaju tłuszczów,
  • możliwość bezpiecznego operowania, tj. niepalność, brak zdolności tworzenia z powietrzem mieszanek wybuchowych,
  • małe ciepło parowania, wysokie ciśnienie par, niska temperatura wrzenia (szybkie odparowanie rozpuszczalnika z mytych powierzchni),
  • mała rozpuszczalność w wodzie,
  • łatwość regeneracji,
  • mała toksyczność,
  • mała szkodliwość oddziaływania na środowisko,
  • niskie opłaty za gospodarcze korzystanie ze środowiska,
  • niska cena i łatwość nabycia.

Dobór rozpuszczalnika i techniki odtłuszczania zależy od skali produkcji, rodzaju usuwanych zanieczyszczeń, stawianych wymagań co do stopnia czystości mytych powierzchni metalu i od parametrów fizykochemicznych rozpuszczalnika (temperatura wrzenia, temperatura zapłonu, dolna i górna granica wybuchowości, lotność).

Istnieje wiele technik odtłuszczania w rozpuszczalnikach organicznych:

  • odtłuszczanie w parach rozpuszczalnika,
  • odtłuszczanie z zastosowaniem połączonego działania cieczy i pary z systemem ciecz-para, para-natrysk-para, ciecz-para-natrysk-para, itp.,
  • odtłuszczanie zanurzeniowe na zimno,
  • odtłuszczanie ręczne za pomocą tamponów, pędzli, szczotek, itp.

Rozpuszczalniki organiczne stosowane do odtłuszczania w galwanizerniach pochodzą głównie z trzech grup związków chemicznych:

  • węglowodory chlorowane,
  • węglowodory aromatyczne,
  • węglowodory alifatyczne.

Najlepsze właściwości technologiczne wykazują węglowodory chlorowane, a wśród nich trójchloroetylen (tri) i czterochloroetylen (per). W warunkach prowadzenia procesu są niepalne i niewybuchowe, skuteczne usuwają różnego rodzaju zanieczyszczenia tłuszczowe i olejowe, szybko odparowują z powierzchni po umyciu. Ich stosunkowo niska temperatura wrzenia umożliwia prowadzenie procesu odtłuszczania w parach rozpuszczalnika lub w układzie ciecz-para oraz regenerację brudnego rozpuszczalnika na drodze destylacji. Trójchloroetylen i czterochloroetylen są szkodliwe dla zdrowia. Znajdują się na liście czynników “prawdopodobnie rakotwórczych” (Rozporządzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dn. 11.09.1996 r., Dz. U. Nr 121. poz. 571.). Trójchloroetylen dodatkowo wykazuje działanie narkotyczne przy długotrwałym stosowaniu. Trójchloroetylen i czterochloroetylen są dopuszczone do stosowania w warunkach przemysłowych. Praca z tymi rozpuszczalnikami powinna być prowadzona w pomieszczeniach z dobrą wentylacją ogólną, przy sprawnie działającym wyciągu miejscowym. Najkorzystniej jest proces odtłuszczania prowadzić w parach rozpuszczalnika lub w systemie ciecz-para w hermetycznych urządzeniach zapobiegających emisji par rozpuszczalnika. Trójchloroetylen i czterochloroetylen posiadają stosunkowo największe ograniczenia dotyczące najwyższych dopuszczalnych stężeń i stężeń chwilowych w środowisku pracy. Natomiast łagodniejsze są wymagania dotyczące dopuszczalnych stężeń w powietrzu atmosferycznym i stosunkowo niskie opłaty za gospodarcze korzystanie ze środowiska i wprowadzanie w nim zmian.

Całkowity zakaz stosowania wprowadzono dla rozpuszczalników organicznych niszczących warstwę ozonu. Z grupy węglowodorów chlorowanych można tu wymienić 1,1,1- trójchloroetan i czterochlorek węgla.
Węglowodory aromatyczne (toluen, ksylen, solwent naftu, itp.) wykazują bardzo dobre właściwości odtłuszczające i szybko odparowują z powierzchni po myciu. Są palne i wybuchowe co bardzo ogranicza ich stosowanie w galwanizerniach. Są stosowane raczej do odtłuszczania wstępnego. Zabieg odtłuszczania należy prowadzić w wydzielonych pomieszczeniach, bez urządzeń pod napięciem.

Rozpuszczalniki z tej grupy są stosowane na ogół zanurzeniowo, “na zimno”.

Węglowodory alifatyczne należą do rozpuszczalników najbardziej przyjaznych dla człowieka i środowiska. Posiadają stosunkowo najmniejsze ograniczenia dotyczące dopuszczalnych stężeń w środowisku pracy, najwyższe dopuszczalne stężenie w powietrzu atmosferycznym i najniższe opłaty za gospodarcze korzystanie ze środowiska i wprowadzanie w nim zmian.

Aktualnie na rynku pojawiło się wiele preparatów przeznaczonych do mycia i odtłuszczania powierzchni metali, opartych na odaromatyzowanych węglowodorach alifatycznych.

Mycie i odtłuszczanie

Właściwe przygotowanie powierzchni wpływa w bardzo istotny sposób na jakość nanoszonych na te powierzchnie powłok ochronnych i ochronno-dekoracyjnych. Z tego powodu należy starannie dobierać technologię do każdego rodzaju materiału, uwzględniając przy tym zmieniające się rodzaje zanieczyszczeń na ich powierzchniach. Oznacza to, że przedmioty, które mają być poddane obróbce powinny zostać dokładnie przebadane przez technologa, w celu określenia najskuteczniejszych metod oczyszczania. Należy jednakże podkreślić, że o prawidłowym przeprowadzeniu oczyszczania detali można się przekonać dopiero po zakończeniu procesów galwanicznych.

Uszkodzenia i zanieczyszczenia powierzchni półfabrykatów usunąć można wykorzystując następujące metody:

Mechaniczne (szlifowanie, polerowanie)

Ze względu na niedoskonałości powierzchni metali przeprowadza się często procesy mechanicznej obróbki, które gwarantują usunięcie zagnieceń, wżerów korozyjnych i rys. Dzięki temu procesowi materiały otrzymują gładkie, często dodatkowo wypolerowane powierzchnie, dzięki czemu powłoki galwaniczne nakładają się bez odwzorowania wad podłoża.

Fizyczne, za pomocą rozpuszczalników organicznych

Najbardziej uniwersalne są chlorowcopochodne, szczególnie 1,1,1- trójchloroetan, trójchloroetylen, czterochloroetylen, które bardzo skutecznie usuwają większość zanieczyszczeń organicznych, których usunięcie w kąpielach wodnych byłoby niemożliwe. Jednak ich szkodliwość na zdrowie i środowisko powoduje bardzo ostre ograniczenia w stosowaniu. Chlorowcopochodne wykazujące dodatni potencjał rozkładu ozonu, a wśród nich 1,1,1- trójchloroetan, są wycofane ze stosowania.
W mniejszym stopniu ogranicza się stosowanie węglowodorów aromatycznych, które obok chlorowcopochodnych, wykazują bardzo dobry efekt mycia i odtłuszczania. Ostatnio, z uwagi na bardzo korzystne właściwości ekologiczne, coraz większe zastosowanie w procesach mycia przemysłowego znajdują węglowodory alifatyczne.

Chemiczne, w wodnych kąpielach alkalicznych

Odtłuszczanie chemiczne stanowi bardzo przydatny i rozpowszechniony sposób (często jednak niedoceniany) oczyszczania powierzchni, posiadający szereg zalet, takich jak:

  • prostą technologię przy jednocześnie wysokiej skuteczności mycia,
  • łatwość kontroli składu i uzupełniania składników
  • niepalność i nietoksyczność
  • możliwość zastosowania preparatów skutecznych już od 30°C

W skład preparatów alkalicznych wchodzą głównie związki nieorganiczne, takie jak wodorotlenek sodu, węglan sodu, fosforan trójsodowy, środki obniżające twardość wody, inhibitory korozji oraz środki powierzchniowo czynne. Obecnie wiele firm oferuje gotowe zestawy środków odtłuszczających, które mimo pozornie wysokiej ceny zakupu znakomicie poprawiają jakość produktu końcowego, dzięki czemu zmniejsza się ilość elementów wybrakowanych.

Elektrochemiczne, w wodnych kąpielach alkalicznych

Odtłuszczanie elektrochemiczne jest najdokładniejszym odtłuszczaniem. Może być prowadzone na trzy sposoby, biorąc pod uwagę kierunek przepływającego prądu:

  • odtłuszczanie anodowe, gdzie detal podłączony jest do dodatniego bieguna prądu stałego. Na detalu wydziela się wówczas tlen, który wspomaga proces usuwania zanieczyszczeń,
  • odtłuszczanie katodowe, gdzie detal podłączony jest do ujemnego bieguna prądu stałego. Na detalu wydziela się wówczas wodór w ilości dwukrotnie większej niż tlenu przy odtłuszczaniu anodowym, przez co odtłuszczanie katodowe jest efektywniejsze lecz posiada tę wadę, że nawodorowuje odtłuszczane przedmioty, przez co ich podłoże zmienia własności mechaniczne tzw. kruchość wodorowa.
  • Kolejnym problemem może być złuszczanie powłoki wskutek dyfuzji wodoru z głębszych warstw przedmiotu
  • odtłuszczanie anodowo-katodowe, gdzie detal w czasie cyklu odtłuszczania dzięki zastosowaniu przełącznika rewersyjnego jest przez określony czas raz anodą, raz katodą. W czasie stosowania takiego cyklu odtłuszczania należy pamiętać o tym, że ostatnim cyklem (kończącym proces) powinien być cykl anodowy
  • Fizykochemiczne, z zastosowaniem ultradźwięków w roztworze odpowiedniego odtłuszczania chemicznego.

    Odtłuszczanie za pomocą ultradźwięków jest bardzo skuteczną metodą, pozwalającą na uzyskanie wysokiego stopnia oczyszczenia obrabianych detali. Jego przydatność sprawdza się najbardziej przy oczyszczaniu profili, elementów o skomplikowanych kształtach, posiadających liczne zagłębienia, rysy i szczeliny, w których często zalegają różnego rodzaju zanieczyszczenia takie jak: smary, pasty, opiłki metali.

    Eksploatacja urządzeń ultradźwiękowych jest tania i prosta. Niestety, ze względu na wysokie koszty zakupu takiego urządzenia, nie są one powszechnie używane pomimo wysokiej skuteczności.